多釜串联流动特性的测定

实验报告课程名称：化工专业实验指导老师：成绩：________________实验名称：多釜串联流动特性的测定实验类型：工程实验同组学生姓名：一、实验目的和要求二、实验内容和原理三、主要仪器设备四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析七、讨论、心得一、实验目的1．观察了解多釜串联的流动特性，并与理想流型特性曲线作比较。2．掌握用脉冲示踪法测定停留时间分布的实验方法及数据处理。3．根据单个釜的流动特性推测四釜串联的理论流动特性，并与实际测量值进行比较。二、实验原理1．对于等容积理想全混式多釜串联的流动，如用脉冲示踪法测定其出口浓度变化曲线，经过换算，可得到停留时间分布的密度函数E(t)，即1()(1)!NNtNtNtEteNtt（1）1()(1)!NNNtENeNt（2）式中N—釜数t—整个装置的平均停留时间，(=N(VR)i/v)(VR)i—每一小釜的体积v—流体流量据式（1），（2）可计算一组理想全混式的流动，由于实验测定的是出口浓度变化曲线C(t)~t，经下列关系换算，可得E(t)0()()()CtCtEtCoCdt或写成离散型函数1()()nCtEtCt专业：化学工程与工艺姓名：学号：日期：2地点：西溪化学楼234及1()()()ntCtEtEtCt（3）据式（3）可得到一组实验测定E(θ)～θ曲线，可与图一（a）所得到的一组曲线进行拟合比较。计算实测分布曲线的均值（t）和方差22．计算实测分布曲线的均值（t）和方差2因为21N由上式可计算的模型参数N（釜数）及t，再与理论值进行比较。三、实验装置及仪器本装置由四个搅拌釜反应器组成，分别装备了不同类型的搅拌桨和挡板，每个搅拌釜反应器可独立操作，也可以串联操作。配套设别包括定量连续进料系统、示踪剂加料系统、搅拌控制系统、反应釜出口浓度检测系统，实验流程装置见下图2。1-示踪剂高位槽；2-水槽；3-蠕动泵；4-釜式反应器；5-搅拌电机；6-电导槽；7-电导仪；8-桨式搅拌器；9-锚式搅拌器；10，11-螺旋式搅拌器；12～17-电磁阀图2实验流程装置示意图四、实验步骤（a）——理论值（b）——实验值图1多釜串联的停留时间分布曲线利用分配到得实验序号和注册的用户名及密码在客户端上登录，并且点击开始实验，打开总电源，釜式反应器混合特性及流动模式实验研究的远程操作界面如图3所示。蠕动泵将储液槽中的水打入釜Ⅰ，从反应器上部流出，依次通过釜Ⅱ、釜Ⅲ、釜Ⅳ后排出。4个釜的体积均为1500ml，各自带有可调速的搅拌电机，分别控制每个釜的搅拌强度，每个釜出口液体浓度由电导仪测定。图3釜式反应器混合特性研究远程实验操作界面（1）实验前先将电磁阀2#，3#，4#，5#，6#打开，排空四个釜内上次实验残留的液体，然后关闭阀门；（2）打开蠕动泵，设置流量为最大值，使四个釜充满（约15min），然后调整蠕动泵流量为设定值；（3）同时将4个搅拌电机的转速调到设定值，使其达到全混流，等待转速稳定；（4）打开阀门6，将可能残余在管路中的水排净；（5）关闭阀门6，打开阀门1，让示踪剂充满管路；（6）等釜出口液体的电导率恒定后（电导率比实验开始的时候有较大的变化，这是因为水的电导率比空气的电导率大），打开阀门2，向釜内脉冲注入示踪剂（4s），记下此时刻t；（7）脉冲示踪后，注意观察各电导率的读数，等待电导率4的曲线回至走平，此时可以认为4个釜内的示踪剂被替换完全；（8）在放大图上选择一区域，满足：开始时刻在t时刻附近，结束时刻在电导率曲线走平的时刻附近，在这样的一个区域内采集数据，并且将其组名保存为此转速下的电导率值；（9）停止搅拌桨，停止蠕动泵，将釜内的水排空，关闭电源，结束实验。四、实验步骤利用分配到的实验序号和注册的用户名及密码在客户端上登录，并且点击开始实验，打开总电源，釜式反应器混合特性及流动模式实验研究的远程操作界面如图3所示。蠕动泵将储液槽中的水打入釜I，从反应器上部流出，依次通过釜II、釜III、釜IV后排出。4个釜的体积均为1500mL，各自带有可调速的搅拌电机，分别控制每个釜的搅拌强度，每个釜出口液体浓度由电导仪测定。1)打开蠕动泵，设置流量为最大值，等待其流量稳定，并充满4个釜（充满1个釜约需6min）；2)同时将搅拌电机的转速调到设定值，使其达到全混流（推荐值为最大值），等待转速的稳定；3)打开阀门6，将可能残余在管路中的水排净；4)关闭阀门6，打开阀门1，让示踪剂充满管路；5)等釜出口液体的电导率恒定后（电导率比实验开始的时候有较大的变化，这是因为水的电导率比空气的电导率大），打开阀门2，向釜内脉冲注入示踪剂，记下此时刻t；6)脉冲示踪后，注意观察各电导率的读数，等待电导率4的曲线回至走平，此时可以认为4个釜内的示踪剂被替换完全；7)在放大图上选择一区域，满足：开始时刻在t时刻附近，结束时刻在电导率曲线走平的时刻附近，在这样的一个区域内采集数据，并且将其组名保存为此转速下的电导率值；8)停止搅拌桨，停止蠕动泵，将釜内的水排空，关闭电源，结束实验。9)五．原始试验数据记录六、数据处理1．用梯形法计算各釜流出曲线的面积以3s为时间间隔，出口浓度为纵坐标计算单个小块的面积，加和即为各釜流出曲线的面积。4个反应釜流出曲线的面积如下表所示项目1号反应釜2号反应釜3号反应釜4号反应釜面积1037.9641092.4611222.913960.0972．计算结果项目1号反应釜2号反应釜3号反应釜4号反应釜C01037.9641092.4611222.913960.097t740.795845.672995.0691116.3182t68720.76563767.67482620.87189194.52820.1252250.0891650.0834410.071575N计算值7.9856211.215111.984413.9713N实际取值8111214E(θ)～θ曲线测定：(1)．理论E(θ)～θ曲线：由1()(1)!NNNENeN分别画出N=1，2，3，4时的理论曲线如下：0240.00.20.40.60.81.01.2E(θ)θ理论E(θ)~θ曲线由tt，1()()()ntCtEtEtCt得到实验中实际的E(θ)～θ曲线如下N=1N=2N=3N=4由第一步数据分析所得的结果N来看，4个反应釜的N值比理论值都偏大较多，从第二步分析出的E(θ)～θ曲线可以看出曲线走向跟理论分析的状况基本一致，只是一号塔釜曲线有较大的误差。总的来说，本次试验虽有一定偏差，但并没有违背理论，总体来说是成功的。误差分析：1.由于设备在较冷的环境下导致管道堵塞，不得已采取人工倾倒的方式进行加料，由于认为的操作稳定性不高，随机误差较大，条件控制不如机械控制精准，这样会给实验带来一定的波动以及误差。2.实验时各搅拌桨的设定速度虽然一致，但实际操作时并不是恒定不变的，各釜之间有一定的差距，加上其他如计量泵等不稳定实验条件，测得的数据必定带有一定的偏差。3.因为这个实验中人为操作不多，主要是依靠仪器的测量和读数进行，这就导致仪器误差以及系统误差会是影响结果的主要因素，而周围的环境因素则会严重影响仪器的工作状态（例如电导率的测定），而这些将会是主要的误差来源。七、思考题1．脉冲示踪前怎样根据每个釜出口电导率的变化来判断各釜内流体的情况？答：在加脉冲试剂前，由电导率的值可知釜内流体是否达到稳定。电导率的大小是釜出口料液示踪剂浓度的反映，当电导率达到稳定值不再变化时，表明此时釜内的液体已充满，流体流动正常，且上次实验中剩余的示踪剂已基本全部排出。2．根据实验结果，你可得到那些结论？尚存在着哪些问题。答：由实验结果可知，串联釜数越多2就越接近于0，也越接近于平推流状况达。达到的情况也就越理想。对比实验E（θ）~θ曲线和理论E（θ）~θ曲线，发现实验曲线与理论曲线较接近但是误差较大，由于误差的因素，导致在分析结果的时候不能有较好的对比，结果的可利用程度不是很高。3.结合装置特点及操作条件，分析讨论实验值和理论值的偏差原因。答：数据处理中已经对误差进行了分析。4.试设计采用阶跃示踪法测定装置的流动特性的实验方法，并定性画出各釜出口的浓度变化曲线。答：从某一时刻起，在入口出连续输入一定浓度、一定流速的示踪剂。测定出口示踪物的浓度与时间的变化，得到C~t曲线。进而可得到E(θ)~θ曲线。各釜出口的浓度变化曲线大致如下图：(假设在t=0时刻进行阶跃示踪法加料)